（材料学专业论文）b和mo对钢结硬质合金覆层材料影响的研究.pdf

济南大学硕十学位论文 摘要 本论文将钢结硬质合金的优异性能赋予钢基体表面，获得了具有高硬度、高耐 磨性与高耐腐蚀性能且界面结合优异的钢结硬质合金覆层材料。研究了b 和m o 的 掺入对钢结硬质合金覆层烧结温度、力学性能、物相组成以及微观结构的影响，并 将其应用于机械零件表面改性，获得了较好的效果。 本研究在钢基体表面制备了m 、3 b 、4 b 、5 b 、3 b m o 五类钢结硬质合金覆层材 料。确定了硬质相和粘结相的体积分数，b 、m o 等合金组分添加量以及粘结剂p v b 的添加量。 确定了制备钢结硬质合金覆层材料的工艺流程，主要包括成形料浆的制备工艺、 钢基体的处理、覆层坯体的成形工艺与覆层材料的烧结工艺等四大部分。 确定了覆层材料的烧结工艺制度。烧结真空度为1 0 x 1 0 。2 1 0 x 1 0 3 p a ；烧结温 度制度为：以1 0 m i n 从室温加热至4 0 0 。c 保温3 0 m i n ，继续以1 0 m i n 加热至 1 0 0 0 保温3 0 m i n ，然后以5 m i n 的速度升温至最高烧结温度保温3 0 m i n ，再随 炉自然冷却。 通过烧结实验确定了各体系覆层材料的烧结温度，并分析了b 和m o 的添加对 覆层材料烧结温度的影响。结果表明，b 添加后，有效的降低了覆层材料的烧结温 度，3 b 覆层材料的烧结温度相比m 覆层材料的烧结温度降低5 0 。c 。随着b 质量分 数的增加，烧结温度有所提高。在3 b 覆层配料基础上添加m o ，覆层材料的烧结温 度相对m o 添加前升高2 5 c 。 研究了钢结硬质合金覆层材料的硬度、弯曲强度等力学性能，分析了b 和m o 的添加对覆层材料力学性能的影响。结果表明，b 添加后，覆层材料无论是洛氏硬 度还是维氏硬度都有所提高，洛氏硬度可提高2 h r a ，维氏硬度提高2 8 3 8k g f m m 2 。 随着b 质量分数的增加，覆层硬度进一步提高。在3 b 覆层配料基础上添加m o 后， 3 b m o 覆层的洛氏硬度相对3 b 覆层提高1 4 h r a ，维氏硬度提高1 7 6 7 k g f m m 2 。覆 层受压应力或受张应力时，b 的加入均降低了覆层材料弯曲强度，但随b 含量的增 加而降低。无论覆层受压应力还是受张应力，添加m o 的3 b m o 覆层材料的弯曲强 度相对m o 未添加的3 b 覆层材料的弯曲强度有所提高，覆层受压应力时提高2 3 7 4 7 m - p a ，覆层受压应力时提高2 3 7 1 0 m p a 。 b 和m o 对钢结硬质合金覆层材料影响的研究 采用干摩擦磨损与冲蚀磨损两种方式研究了钢结硬质合金覆层材料的摩擦磨 损性能。结果表明，与m 覆层材料比较，添加b 和m o 后的覆层材料的耐磨性均 有不同程度的提高。研究了覆层材料的耐腐蚀性能，结果表明，钢结硬质合金覆层 具有比钢基体更优越的耐腐蚀性能。 研究了钢结硬质合金覆层材料中的物相组成、硬质相与粘结相的分布状态以及 覆层与基体的界面结合特征。分析了覆层材料扩散界面区域的范围，并通过线扫描 照片结合覆层钢基体结合界面显微硬度的测试分析了界面过渡区的形成机理。b 和 m o 添加后有f e 2 b 和m 0 2 f e b 2 等新相生成。b 的添加使覆层和钢基体之间形成了具 有冶金镶嵌结构的过渡层。 初步将钢结硬质合金覆层复合于易磨易蚀的机械零件表面，成功制备了部分钢 结硬质合金覆层零件。试验证明，覆层处理大大延长了覆层零件的使用寿命。 关键词：钢结硬质合金；覆层材料；真空液相烧结；力学性能；耐磨损与耐腐蚀性 能。 i i 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，an o v e lk i n do fs t e e lb o n dh a r d a l l o yc l a d d i n gm a t e r i a l sw i t h o u t s t a n d i n gh a r d n e s s ，e x c e l l e n tw e a l a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dh i 曲c l a d d i n g s u b s t r a t e b o n d i n gs t r e n g t hw a sd e v e l o p e db yv a c u u ml i q u i dp h a s es i n t e r i n gt e c h n i q u e ，a n dt h e i n f l u e n c eo fba n dm oo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es t e e lb o n dh a r da l l o yc l a d d i n gm a t e r i a l s w a ss t u d i e d t h ec l a d d i n gm a t e r i a lw a s a p p l i e di nt h es u r f a c eo f t h em a c h i n ea c c e s s o r i e s ， a n dg o o de f f e c t sw e r eo b t a i n e d f i v et y p e so fc l a d d i n gm a t e r i a l sh a v eb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yo nt h es i d e so f s t e e lf o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hw e r ed e s i g n a t e dm ，3 b ，4 b ，5 ba n d3b m or e s p e c t i v e l y t h eb a s i cv o l u m ef r a c t i o no fh a r dp h a s ea n db i n d e rp h a s e ，t h ec o n t e n t so fa l l o ye l e m e n t s ba n dm o ，a n dt h ea d h e s i v ep v bi nc l a d d i n g sw e r ed e t e r m i n e d t h et e c h n o l o g yp r o c e s so ft h ep r e p a r a t i o no ft h ec l a d d i n gm a t e r i a l sw e r ee s t a b l i s h e d ， w h i c hi n c l u d e df o u rp a r t s ：t h et e c h n o l o g yo ft h ep r e p a r a t i o no ft h es l u r r y ；d i s p o s a l t e c h n o l o g yo ft h es t e e ls u b s t r a t e ；m o l d i n gm o d eo ft h ec l a d d i n gf o r m a t i o na n dt h e s i n t e r i n gt e c h n o l o g yo ft h ec l a d d i n gm a t e r i a l s t h el i q u i dp h a s es i n t e r i n gt e c h n i q u ew a su s e df o rs i n t e r i n go fc l a d d i n gm a t e r i a l s d u r i n gs i n t e r i n g ，t h ev a c u u mi nf u m a c ek e e p s1 0 x 1 0 2 一- l o x l o 3 p a , t h et e m p e r a t u r ei s e l e v a t e df r o mr o o mt e m p e r a t u r et o4 0 0 ca tas p e e do f1 0 。c m i n ，a n dh o l d sf o r3 0m i n ， a f t e rt h a t ，t h et e m p e r a t u r ei sr a i s e dt os i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，a n dh o l d sf o r3 0m i n ，t h e t e m p e r a t u r ei sf u r t h e re l e v a t e dt o10 0 0 ca tas p e e do f5 。c m i n ，a n dh o l d sf o r3 0 m i n f i n a l l y , t h es a m p l e sa r ec o o l e di nt h ef u r n a c en a t u r a l l y t h ee l e v a t e dr a t eo ft e m p e r a t u r e i s5 m i n t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo ff i v et y p e sc l a d d i n gm a t e r i a l sw a sd e t e r m i n e d ，a n dt h e i n f l u e n c eo ft h eba n dm oo ns i n t e r i n gt e m p e r a t u r ew a sa n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo fc l a d d i n gm a t e r i a lw a sa l m o s t5 0 。cl o w e r e dc o m p a r e d w i t ht h a tw i t h o u tba n dh e i g h t e n e da sm o r ea n dm o r eba d d e d w h e nm ow a sa d d e do n t h eb a s eo fb ，t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo fc l a d d i n gm a t e r i a lw a s2 5 ch i g h e rc o m p a r e d w i t ht h a tw i t h o u tm o i i i b 和m o 对钢结硬质合金覆层材料影响的研究 t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es t e e lb o n dh a r da l l o yc l a d d i n gm a t e r i a l ss u c ha s h a r d n e s sa n db e n d i n gs t r e n g t hw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so fba n dm oo nh a r d n e s s a n db e n d i n gs t r e n g t hw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h er o c k w e l lh a r d n e s sa n dv i c k e r s h a r d n e s so fc l a d d i n gm a t e r i a l sc o n t a i n i n gbw e r eb o t hh i g h e rt h a nt h a to fc l a d d i n g m a t e r i a lmw i t h o u tba n dt h eh a r d n e s sk e p ti n c r e a s i n gw i t hm o r ea n dm o r eb c o n t a i n i n g i nt h ec l a d d i n g ，a n dt h er o c k w e l lh a r d n e s sw a s2 h r a h i g h e ra n dv i c k e r sh a r d n e s sw a s 2 8 3 8k g f m m 2h i g h e r t h er o c k w e l lh a r d n e s so fc l a d d i n gm a t e r i a l3 b m ow a s1 4 h r a h i g h e rt h a nt h a to f3 ba n dt h ev i c k e r sh a r d n e s sw a s17 6 7 k g f m m 2h i g h e rt h a nt h a to f3 b t h er e s u l t so ft h r e e p o i n tb e n d i n gm e t h o di n d i c a t e dt h a tt h eb e n d i n gs t r e n g t h so ft h e c l a d d i n gm a t e r i a l se n d u r e dc o m p r e s s i v es t r e s sa n dt e n s i l es t r e s sr e s p e c t i v e l yw e r e i m p r o v e da f t e rbw a sa d d e d ，h o w e v e r , t h eb e n d i n gs t r e n g t hr e d u c e dw i t ht h ec o n t e n to f bi n c r e a s i n g t h ea d d i n go fm oi nt h ec l a d d i n gc o u l dh e i g h t e nt h eb e n d i n gs t r e n g t h m a r k e d l y t h ew e a l r e s i s t a n c eo ft h es t e e lb o n dh a r da l l o yc l a d d i n gm a t e r i a l sw a ss t u d i e db y d r yf r i c t i o nm e t h o da n de r o s i o nw e a rm e t h o d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ew e a r r e s i s t a n c eo fc l a d d i n gm a t e r i a l3 b ，4 b ，5 ba n d3 b m ow a si m p r o v e dr e a s o n a b l y c o m p a r e dw i t ht h ec l a d d i n gm a t e r i a lm w i t h o u tba n dm o t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f t h es t e e lb o n dh a r da l l o yc l a d d i n gm a t e r i a lw a si n v e s t i g a t e da n df r o mt h er e s u l t so ft h a t ， t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec l a d d i n gm a t e r i a l sw a sb e t t e rt h a nq 2 3 5s t e e l t h ep h a s ec o m p o s i t i o no ft h es t e e lb o n dh a r da l l o yc l a d d i n g sa n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h eh a r dp h a s ea n db i n d e rp h a s ew e r es t u d i e d t h ei n t e r f a c ec h a r a c t e rb e t w e e nh a r d p h a s ea n db i n d e rp h a s ea n dt h ei n t e r f a c ec h a r a c t e rb e t w e e nt h ec l a d d i n ga n dt h es t e e l s u b s t r a t ew e r eb o t hi n v e s t i g a t e d t h ec o m p a r t m e n t a l i z a t i o no ft h ed i f f u s ei n t e r f a c el a y e r b e t w e e ns t e e la n dc l a d d i n gm a t e r i a lw a sa d v a n c e d t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h e i n t e r f a c el a y e rw a si n v e s t i g a t e db yt h el i n es c a na n a l y s i sa n dt h em i c r o - h a r d n e s st e s t i n g o nt h ei n t e r f a c eo fc l a d d i n ga n ds t e e l t h e r ew e r en e wp h a s ef e 2 ba n dm 0 2 f e b 2 p r o d u c e da f t e rb a n dm oa d d e d am e t a l l u r g i c a li n l a y i n gs t r u c t u r ew i t h o u tc a v i t yo rg a p f o r m e db e t w e e nt h ec l a d d i n ga n dt h es t e e ls u b s t r a t eb e c a u s eo fb t h eo p e r a t i o n a ll i f eo f c l a d d e dh a r d w a r ew a sm u c h l o n g e rt h a nt h a to fu n c l a d d e dh a r d w a r e t h es t e e lb o n dh a r da l l o yc l a d d i n gm a t e r i a lw a sa p p l i e do nt h es u r f a c e so ft h ef a c i l e i v 济南大学硕十学位论文 a b r a s i o na n de r o d i b l em e c h a n i c a la c c e s s o r i e s ，a n ds o m ec l a d d i n gh a r d w a r e sw e r e f a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fs t e e l b o n dh a r da l l o yc l a d d i n g h a r d w a r e su n d e rp r a c t i c a lw o r k i n gc o n d i t i o nw a ss t u d i e d k e y w o r d s ：s t e e lb o n dh a r da l l o y , c l a d d i n gm a t e r i a l ，v a c u u ml i q u i dp h a s es i n t e r i n g ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w e a l a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盘查 e l期：，2 ：扩：彳：呈兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 盔至 导师签名： 济南大学硕十学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题研究的背景、目的和意义 日益发展的工业生产要求机械零件在保持原有的可机械加工、热处理、锻造和焊 接等性能的同时，又具有传统钢铁零件不具备的高硬性、耐磨性、耐腐蚀性。由于零 部件的破坏往往从表面开始，表面的局部破坏又会导致零件的整体失效，因此，表层 的物理化学性能对材料的许多重要性能，如强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等都具有 决定性的作用。 磨损和腐蚀是机械零件的主要失效形式。美国曾有统计，由于机械零部件摩擦磨 损而引起的损失，使美国经济每年支付1 0 0 0 亿美元的巨款。我国的g d p 只占世界的4 ， 却消耗了世界的3 以上的钢材；我国每年因摩擦磨损造成的经济损失在1 0 0 0 亿人民 币以上，仅磨料磨损每年就要消耗3 0 0 多万吨金属耐磨材料【l 】。全世界的钢铁腐蚀损 失约为每年7 0 0 0 亿美元，占国民经济总产值的1 ，发达国家高达2 - - 4 。全世界近 五十年来生产的约1 8 0 0 亿吨钢铁中有8 0 0 亿吨因腐蚀而损失掉，损失率达4 4 。钢铁 的7 0 是在易于生锈的大气中使用；近年来，海洋工程中钢铁使用量愈来愈多，但海 洋中金属使用量的8 0 是钢铁，而在海洋中钢铁的腐蚀速度约十倍于大气中的腐蚀速 度【2 1 。因此，制定耐磨抗腐对策、减少磨损和腐蚀耗材、提高机械设备和零件的安全 寿命有很大的社会和经济效益。 金属陶瓷和钢材是两种重要的传统工业材料。钢材的韧性和强度高，而硬度、耐 磨性和高温性能却比较差；金属陶瓷具有良好的化学稳定性、硬度和耐磨性，而它的 弯曲强度和断裂韧性较差，因而大大限制了其在更广泛领域的应用。现代科技和工业 要求材料在具有高的强度和韧性的同时又具有高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性【3 】。因此， 利用在金属表面涂覆硬质合金覆层的方法，制备既有金属的强度和韧性，又有陶瓷的 耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点的复合材料，越来越受到人们的重视。 钢结硬质合金覆层材料是利用涂层制备技术使钢结硬质合金与钢基体产生牢 固结合形成的新型复合材料。钢结硬质合金覆层材料既具有硬质合金的高硬度、高 强度、高耐磨性，又具有合金钢的可冷热加工性能，适于进行车、铣、刨、磨、锻 等加工及热处理，广泛应用于切削刀具、无屑金属加工的工具、耐磨结构零件中， 而且特别适合于制造工模具。钢结硬质合金覆层材料的烧结温度通常较高，造成合 b 和m o 对钢结硬质合金穰层材料影响的研究 金中硬质相长大过快或出现石墨相，使材料的力学性能下降。同时，过高的烧结温 度对烧结设备也提出了更高的要求。本研究在满足材料使用要求的前提下，在钢结 硬质合金覆层配料基础上，以f e b 合金的形式添加适量b ，降低覆层材料的烧结温 度。b 的添加会使覆层中生成脆性硬质相f e 2 b ，造成覆层材料的韧性、塑性等力学 性能下降。通过添加适量m o ，使其与f e 2 b 发生原位反应，将脆性硬质相f e 2 b 转 变为力学性能良好的三元硼化物硬质相m 0 2 f e b 2 ，改善材料的力学性能。通过本课 题的研究，在不影响钢结硬质合金覆层材料使用性能的基础上降低覆层材料的烧结 温度，并设计开发出新型钢结硬质合金覆层材料的原料组成、成型工艺和烧结温度 制度，并以方便实用的技术工艺将其应用到破碎机锤头、轧钢机导卫辊等机械零件 表面，增强其表面耐磨性、耐蚀性，提高机械零件的使用寿命，减少资源浪费。因 此，本研究具有十分重要的经济意义和社会意义。 1 2 钢结硬质合金覆层材料涂覆制备工艺的国内外磷究现状 随着各类涂( 覆) 层材料在工业中的广泛应用，涂( 覆) 层制备技术也得到深 入研究。涂( 覆) 层种类越来越多，质量越来越好，用途尽益广泛。每种涂( 覆) 层制备技术都存在着各自的优缺点。 1 。2 。1 热喷涂技术 热喷涂技术是剥用各种不同的热源，将欲喷涂的各种材料如金属、会金、陶瓷、 塑料及其各类复合材料加热至熔化或熔融状态，借助气流高速雾化形成微粒雾流沉 积在已经预处理的工件表露形成堆积状，与基体紧密结合的涂层，称之为喷涂层【4 】。 该技术的发展主要依赖于热源的发展，从普通氧乙炔焰发展到多种燃气源如丙烷 焰、丙烯焰和其它碳氢化合物焰，从电弧到等离子体、激光、电子柬等作为热喷涂 技术的电热源，尤其是等离子体作为热源的发展更为多样，形成等离子体喷涂的气 体由氮气和氢气的混合物，氨气或氩氢气的混合物，发展到采焉空气和水稳定的等 离子焰。对热喷涂速度的研究，以提高颗粒飞行速度来达到提高涂层质量的目的， 从几十米秒提高到高速火焰喷涂的数百米秒和爆炸喷涂的近千米秒。 热喷涂技术具有许多优点：喷涂材料的成分不受限制，可根据特殊要求予以选 择，也可将不同材料组成的涂层重叠，形成复合涂层；被喷涂的构件尺寸不受限制； 可自由选择涂层厚度；喷涂设备简单，可直接将设备搬至现场进行喷涂，操作工序 少，效率高，涂层形成速度快。热喷涂方法也有一定的缺点，如喷涂作业环境差， 济南大学硕十学位论文 粉尘污染严重赜滁材料利甩率低、难以制备厚度较大的涂层材料等5 , 6 1 。热喷涂方 法随着技术的进步也在不断扩展，目前热喷涂技术按照选用的热源和材料主要可以 分为以下几种：( 粉末、线材、陶瓷棒) 火焰喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂、电 弧喷涂、( 粉末、低压真空、水稳) 等离子喷涂、反应等离子喷涂、线爆喷涂和激 光喷涂等。 目前，热喷涂技术向着高能高速的方向发展。 ( 1 ) 火焰喷涂技术 火焰喷涂是利用气体燃烧发出的热量进行喷涂，具有设备简单，操作容易，工 艺成熟，投资少等优点。但是火焰喷涂涂层为层状组织，含较多的氧化物和气孔， 而且混有变形不充分的颗粒，使得涂层结合不够致密。另外，火焰温度一般为 3 0 0 0 ，使得火焰喷涂比较适合于低熔点的金属。因此，在普通火焰喷涂的基础上 又产生出了爆炸喷涂、高速火焰喷涂等新技术。 爆炸喷涂是利用氧和可燃性气体的混合气，经电火花点燃，在喷枪中形成爆炸 高温，加热喷涂材料，并利用爆炸波产生的高压把喷涂材料高速喷向基体表面形成 涂层。爆炸喷涂形成的焰流速度高，颗粒速度大，可达2 5 0 0 f t s ，并产生冲击波， 使涂层更加致密、气孔率更低，而且有利于残余应力的释放，从而得到了高结合强 度、高硬度、抗磨损的涂层。 高速火焰喷涂主要指超音速火焰喷涂，可加速到3 0 0 - - 一5 0 0 m s ，甚至更高，由 于火焰速度高，可以将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态，从而获得结合强度高、 致密且表面光滑、孔隙率低、化学分解少、氧化物含量少的高质量涂层。涂层不仅 结合强度高，可以达到1 5 0 m p a ，而且组织结构致密，耐磨损性能优越，应用非常 广泛0 1 。 ( 2 ) 等离子喷涂技术 等离子喷涂技术是以高温高速的等离子射流为热源进行喷涂。由于等离子射流 高温区的温度可以达到1 0 0 0 0 k 以上，能熔化所有的固体物质，因此，只要具有物 理熔点的材料，都可以通过等离子喷涂形成涂层，涂层的种类及其应用极为广泛。 等离子喷涂层的性能，特别是力学性能，主要取决于涂层内扁平粒子间的结合 强度，而等离子电弧功率的提高并不能有效提高粒子间的结合力，主要因为功率的 提高不能有效的提高喷涂粒子的温度，而粒子温度是影响粒子间结合力的主要因 素。可以通过降低等离子射流的速度，延长粉末粒子在等离子射流中的加热时间有 b 和m o 对钢结硬质合金覆层材料影响的研究 效提高粒子温度。因此，近来又出现了低速等离子喷涂，不仅喷涂过程中沉积效率 高，而且获得的涂层的硬度也比传统等离子喷涂高。高频等离予喷涂技术的速度低， 粉末在等离子流中停留的时间长，为通过反应热喷涂获得与喷涂材料不同的全新材 嫒涂层提供了基本手段。 ( 3 ) 电弧喷涂技术 电弧喷涂是在两电极闻施加一定电压产生电弧，用电弧产生的热量使金属焊丝 熔化，然后用压缩空气将熔化的金属雾化并里微熔滴，以很高的速度喷射到工件表 面，形成电弧喷涂层。电弧喷涂涂层也是层状组织，但由于电弧能量密度高，熔化 粒子加热温度高，粒子变形量足够大，所以涂层的结含强度高予火焰喷涂；但是电 弧的高温使得合金元素的烧损和蒸发严重，导致涂层中的合金元素减少，影响了涂 层质量，近来由于药芯焊材的使用使得这一情况得以解决；另外电弧喷涂的材料必 须是导电的材料，因此只适用于喷涂金属及合金，丽对陶瓷材料无能为力。 1 2 2 自蔓延高温合成技术( s h s ) 鲁蔓延高温合成技术的基本原理是在金属圆管内壁基体上预置涂层，在高速旋 转的离心压力下局部点火引燃化学反应，利用反应放出的热使反应持续进行，同时 使基体金满表面短时间内达高温熔化，涂层与基体间通过冶金结合丽制得高粘结强 度的涂层。其独特之处在于可在钢基体上制备难熔硬质材料的熔敷涂层，并且具有 工艺简单和生产成本低的优点。此外，由于反应迅速、合成过程中温度梯度大，产 品中极有可能出现缺陷集中和非平衡相，使产物活性提高。如果在合成过程中采用 致密化技术还可以制备更高密度的产晶。因而自蔓延裔温合成技术是一种节能、快 速、非常实用的方法。其缺点是应用中原材料体系选择所受的限制较大，制备较大 厚度的致密涂层比较困难弦瑚。 1 2 3 原位化学反应技术 原位化学反应技术16 。1 8 】是由k o c z a k 等于1 9 8 9 年提出的，现在已广泛应用于陶 瓷基、金属问化合物基复合材料的制备。原瘦化学反应技术是指涂在金属表面的物 质在一定条件下通过反应生成种或几种涂层材料，并牢固结合在金属表面，形成 一层致密的保护层。原位反应法制备金属陶瓷涂层克服了金属与陶瓷闻不易润湿、 难粘附的缺点，可以获得很高的界面结合强度；省却了预先制备金属陶瓷材料的生 产步骤，陶瓷增强褶与母体合金的界面纯净，秃吸附气体和氧化膜，二者相容性好， 济南大学硕士学位论文 结合牢固；同时，该方法还具有工艺简单、操作方便、费用低的优点，发展前景较 好。 1 2 4 气相沉积技术 ( 1 ) 化学气相沉积( c v d ) 技术 化学气相沉积( c v d ) 是指在相当高的温度下，混合气体与基体表面相互作用， 使混合气体中的某些成分分解，并在基体表面形成一种金属或化合物的固态薄膜或 镀层。按照化学反应时的参数和方法不同可将其分为常压c v d 法、低压c v d 法、 热c v d 法、等离子c v d 法、超声波c v d 法、脉冲c v d 法及激光c v d 法等。 ( 2 ) 物理气相沉积( p v d ) 技术 物理气相沉积( p v d ) 法有离子镀法、溅射法和蒸镀法等。离子镀法是用电子 束使蒸发源的材料蒸发成原子，并被基体周围的等离子体离子化，在电场作用下以 更大动能飞向基体而形成涂层。这种涂层均匀致密，与基体材料结合良好。溅射法 是以动量传递的方法将材料激发为气体原子，并飞出溅射到对面的基体表面上沉积 而形成涂层。蒸镀法即蒸发镀膜，是用电子束使蒸发源的材料蒸发成粒子( 原子或 离子) 而沉积在工件表面上形成涂层。该技术也存在涂层制备速度慢、涂层薄等缺 点【5 1 。 随着科学技术的发展，c v d 与p v d 的界限已不甚明显，两者互相渗透，c v d 技术中引入了等离子活化等物理过程出现了p a c v d 技术，p v d 技术中也可以引入 反应气体产生化学过程，同时c v d 和p v d 技术与其它表面涂层技术相结合，开发 出了一些制备梯度涂层的改进型技术，如电子束物理气相沉积法( e b p v d ) 、离子束 增强物理气相沉积法( i b e b ) 、燃烧化学气相沉积法( c c v d ) 、物理化学沉积法 ( p c v d ) 、反应溅射及阴极磁控溅射等，从而更加完善了这两种涂层技术。现在随着 科技发展，c v d 和p v d 技术已广泛应用于汽车、能源、化工、生物工程等领域制 备功能梯度涂层【1 9 】。 1 2 5 高温点热源扫描技术 ( 1 ) 聚焦光束熔敷技术 聚焦光束熔敷技术是利用氙灯辐射光源，采用光学聚焦系统获得高能量密度的 聚焦光斑，辐照在材料表面，使材料表面熔覆而制备涂层。该技术在基础理论研究 和应用技术开发上均处于探索性阶段，但初步的研究成果表明该技术具有以下特 b 和m o 对钢结硬质合会覆层材料影响的研究 点：处理层有足够厚度，熔凝处理的改性层可达1 m m 以上；处理层熔宽大，可达 1 0 m m 以上，远大于激光处理宽度；结合状态良好，改性层内部、改性层与基体之 间的冶金结合致密，不易剥落；工艺操作柔性大。主要缺点是设备结构与工艺过程 比较复杂，制备较大面积的较厚覆层难度大m 2 2 1 。 ( 2 ) 激光熔覆技术 激光熔覆技术是2 0 世纪9 0 年代初由d r f w e s t 和r d r a w l i y s 等人发展起来的 种新方法【2 3 - 2 5 。它可以显著提高材料的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温 性能等，同时可使材料芯部仍然保持较好的韧塑性，从丽大大提高产品品质，成倍 延长产品寿命，降低生产成本，取得可观的经济效益。 激光熔覆是利用高能量激光束熔化涂层材料和一薄层基体，形成一个无气孔、 无裂纹并能和基体形成良好冶金结合的表面涂层，是远离平衡态的快速加热、快速 冷却的复杂的物理冶金过程。该技术利用高能密度的激光使材料表面成分、组织结 构和性能实现预期变化。激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类：预置涂层式激光 熔覆和同步送粉式激光熔覆。预置涂层式激光熔覆的主要工艺流程为：基体熔覆表 面预处理_ 预置涂层材料_ 预热一激光熔化_ 后热处理。同步送粉式激光熔覆的主 要工艺流程为：基体熔覆表面预处理_ 送料激光熔化嘶后热处理【2 钮9 1 。激光熔覆技 术具有涂层厚度大、冷却速度快、热畸变小、成分和稀释度易于控制、适用的材料 体系广泛等优点。但是设备的一次性投资大，运行成本高，尤其是大蕊积熔覆时， 由于光斑尺寸小而必须采取搭接工艺措施，增加了冶金缺陷产生的概率。 目前囡内终已先后开展了在软钢、不锈钢、可锻铸铁、模具钢、铡合金、钛合 金、灰铸铁、铝合金及特殊合金上用钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相进 行激光熔覆工作，并己应黑于航空涡轮发动机叶片、发动机缸体、汽轮机叶片、人 体置入件等表面性能的改善【3 0 , 3 1 】。该研究工作主要集中在新型熔覆材料的研究与开 发、熔覆材料引入方式的分析与改进、热物理模型的数学理论模型的建立、工艺参 数的智能化、熔覆层组织与性能的研究、表面品质控制及熔覆层裂纹产生的原因与 分辑研究等方面，尤其是激光熔覆工艺和设备两方瑟酶研究进展决定了该项技术的 发展水平f 2 6 】。随着科技发展及工艺研究的深入，激光熔覆梯度涂层工艺的应用范围 正在不断扩大。 1 2 6 溶胶一凝胶技术 溶胶凝胶涂层技术是利用易水解的金属醇盐或无机盐，在某种溶剂中与水发生 6 济南大学硕士学位论文 反应，经水解缩聚形成溶胶，将溶胶涂敷在金属表面，经干燥、热处理后形成涂层。 溶胶凝胶法金属陶瓷涂层的特点是：反应可在较低温度下进行；能制备高纯度、高 均质涂层；成分可用化学计量法精确控制；适用于大面积物体上制作陶瓷涂层；所 需设备简单，操作方便。目前，溶胶一凝胶法涂层在金属基材上的应用很多，能提高 金属的抗高温氧化性能和耐蚀性能，但是涂层厚度小、耐磨性差【3 2 。8 1 。 溶胶凝胶技术制备涂层的研究已经成为当今材料科学领域较活跃的课题之一。 第九届国际溶胶凝胶会议上，溶胶凝胶技术制备涂层膜的报告占报告总数的三分 之一以上，说明溶胶凝胶法制备涂层膜的技术已经引起了广大材料科学家的关注。 近年来，溶胶凝胶技术制备涂层技术研究已取得了很大的进展，不仅能在不锈钢上 制备薄涂层，而且利用溶胶凝胶法与其它工艺( 如磷化工艺、电泳工艺等) 相结合 在钢基体上制备有机、无机复合涂层也取得了很大的进展。 1 2 7 铸造烧结技术 铸造烧结技术是一种制备金属基表面复合材料的方法，是在综合铸渗技术和粉 末冶金技术优点的基础上提出的制备表面复合材料的新技术口9 ，4 0 1 。利用浇注过程高 温钢液或铁液的热量，使位于铸型表面含有碳化物或其它合金粉坯块发生高温合成 反应，原位生成大量微细硬质相颗粒，同时坯块快速烧结致密化，铸件凝固冷却后 在表面得到厚度稳定含有大量硬质颗粒增强相的表面复合材料。四川大学利用该工 艺制备了t i c 增强的表面复合材料【4 1 , 4 2 】。首先根据要求配制合金粉料，然后在压机 上将粉料压制成具有较高密度的压坯，第三步将压坯放置在制备好的铸型内，最后 将金属液浇入铸型。当金属凝固后，复合材料压坯完成烧结致密化过程，并与铸件 母体发生冶金结合而成为一体。采用此方法，根据工件的结构特点可以制备表面复 合层厚度为3 - - - 1 0 m m 的工件【4 3 , 4 4 】。 1 2 8 真空液相烧结技术 真空液相烧结制备涂层工艺【4 5 , 4 6 1 是一种现代表面涂层新技术，采用该技术可在 金属表面得到耐磨抗蚀的金属陶瓷复合涂层。这种涂层具有以下优点：没有微裂纹 和微气孔，是一种连续密闭的涂层，其防锈耐蚀性优于电镀层和热喷涂层；涂层的 厚度范围在0 0 5 m m 1 6 m m 之间，薄涂层一般作防腐抗蚀和抗氧化作用，厚涂层一 般作耐磨和修补工件表面缺陷之用；真空烧结涂层的成分可根据需要调整，涂层硬 度可在一定范围内变化，其硬度上限可达h r c 7 0 以上，这是其它涂层技术难以达 b 和m o 对钢结硬质合金覆层材料影响的研究 到的，且涂层硬度分布均匀。 真空液相烧结制备涂层的材料有钴基合金、镍基合金、铁基合金以及陶瓷硬质 相组分【4 7 , 4 8 】，通过真空液相烧结过程使陶瓷硬质相化合物分散在合金基体中，提高 材料的硬度和耐磨性。真空液相烧结技术涂层一般为弥散强化型合金，析出相主要 有硼化物、碳化物和硅化物。合金基体和弥散分布其中的硼化物、碳化物使合金涂 层具有良好的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化性能。 真空液相烧结工艺制备涂层的基本过程为：按预定成分比例把涂层原料粉混合 均匀i 加入有机粘结剂制备成料浆。清洗基材的涂覆面，以去除油污和氧化皮。将 料浆涂敷或喷刷于清洗过的基材表面，经过烘干使有机粘结剂中的溶剂挥发掉，然 后在真空下将试样快速加热到烧结温度，保温，随炉冷却。涂层的烧结温度设定在 基材熔点以下，而在涂层形成温度以上，在该温度下合金涂层处于熔融状态，使涂 层与基材之间形成牢固的冶金结合。 1 3 钢结硬质合金的国内外研究现状 钢结硬质合金是以钢为粘结剂，以硬质化合物作硬质相，通过粉末冶金方法制 备而成的一种钢基复合材料，于上世纪五十年代由美国合金公司首先研制成功投入市 场，并很快传入欧洲和亚洲。八十年代中后期，钢结硬质合金研究开始活跃。近年来 由于作为硬质合金粘结剂的钴稀缺造成其价格不断上涨，各国都大力开展寻求钴的代 用材料的研究开发工作，从而更进一步推动了钢结硬质合金的发展【4 9 1 。目前，钢结硬 质合金按硬质相分为碳化钛和碳化钨两大系列；按其钢种可分为碳素钢、合金工具钢、 高速钢、不锈钢、高锰钢等；按其性能可分为高强度、抗冲击、抗回火、抗氧化、耐 高温、耐腐蚀、抗热震、有磁性、非磁性等；按其组织可分为马氏体( 包括淬火马氏 体、软马氏体) 、铁素体、奥氏体以及混合型等。钢结硬质合金的粘结相与硬质相配 比范围相当宽大，原则上钢粘结相含量可在2 0 - - 8 0 ( 重量) 范围内变化。钢结硬质 合金在工艺上具有很大的灵活性，通过选择不同钢基或铁基合金作粘结剂或通过调节 钢粘结剂的成分以及采用适当的硬质相可制取具有特定性能的钢结硬质合金，以适应 各种不同应用领域的需要。因此，钢结硬质合金具有极其广阔的开发应用前景【5 0 】。 1 3 1 钢结硬质合金的性能 钢结硬质合金的性能主要指其工艺特性、物理机械性能和化学稳定性，其主要性 能为： 济南大学硕+ 学位论文 ( 1 ) 工艺特性 钢结硬质合金的工艺特性，主要是可加工性和热处理性。钢结硬质合金的可加工 性，不仅取决于合金粘结相的含量，还取决于粘结相的性质与状态。钢结硬质合金的 热处理性，主要取决于粘结相的性质。由于钢结硬质合金